离子束溅射镀膜是指惰性气体或反应气体经离子源离解形成离子，并经引出、加速、聚焦后形成离子束，以一定角度轰击靶材，使得靶材表面层原子脱离表面形成溅射粒子，并沉积于基材表面形成薄膜的过程，而离子束溅射镀膜装置是实现这一过程的系统或设备。

图1 离子束溅射镀膜装置示意图

1853年，英国物理学家W.R.格罗夫（William Robert Grove，1811～1896）在气体放电室器壁上发现金属沉积物（溅射现象）。1902年，有学者指出溅射是由于电离气体中的离子轰击引起，并完成了第一个离子束溅射实验。1941年，美国物理学家G.铁木辛柯（Gregory Timoshenko）采用入射能量已知的Ar离子测定了金属Ag的溅射产额。1965年美国斯佩里·兰德^[注]公司公开了离子束刻蚀和镀膜装置的专利。1967年，采用该技术制备出铜、银、铌、钨、钽、钼等金属薄膜。1971年美国亚瑟·劳德尔^[注]等公开了离子束溅射镀膜装置的专利。在20世纪70年代，该技术主要处于实验室阶段，重点应用于环形激光陀螺反射镜的研制。80年代，美国科罗拉多州立大学开展了介质氧化物薄膜制备并应用于空军装备领域。世界范围内的公司相继推出了多种商用离子束溅射镀膜装置，如美国维易科^[注]公司的SPECTOR系列产品、四波^[注]公司的Ion Beam Sputtering Cluster Tool产品、托尔国际^[注]公司的IBD系列产品、沈阳科仪公司的离子束溅射镀膜设备等，离子束溅射镀膜装备在光纤、计算机、通信、纳米技术、新材料、集成光学等领域呈现广阔应用。

离子束溅射镀膜装置通常采用大尺寸（直径可达10～15厘米）、高束流离子源，离子能量范围50电子伏～2000电子伏，可沉积各种金属、合金和无机非金属薄膜，膜厚为0.5纳米～5微米，薄膜致密，可达体材料密度80%～120%，并且薄膜纯度高，沉积工艺稳定。与其他溅射技术相比，其离子能量、束流、种类以及入射角度都可在大范围独立调控，溅射靶材选择性也更广。同时离子源的气体放电区域可与溅射区域分开，能获得更高溅射产额和溅射粒子能量，膜基结合力好。不足的是设备复杂，大尺寸的离子束源制备难，产业化应用成本较高。

离子束溅射镀膜装置以离子源技术为核心，而离子源通常理解为具有离子引出功能的等离子体源（少数离子源不涉及等离子体，例如液态金属离子源）。以大面积镀膜用离子源技术为例，根据是否采用引出离子束栅极结构，离子束溅射镀膜装置可分为栅极离子束源型和无栅极离子束源型两大类。

主要包括热丝型和电容/感应耦合射频型。其中，热丝型采用单根或多根热丝发射电子，从而获得高密度等离子体，代表结构之一是考夫曼^[注]热丝型，其结构如图2所示。电容/感应耦合射频型：通过射频电源给电子提供能量，产生和维持等离子体源，结构如图2所示。

端部霍尔/阳极层型源于苏联空间推进技术，离子在霍尔加速以及磁场梯度的作用下加速引出离子束流，结构如图2所示。约束辉光放电型采用特殊的孔（管嘴）结构限制辉光放电区域，从而迅速加速电子实现气体离化。微波型：输入微波，使共振电子吸收微波能量，导致中性气体电离形成等离子体源；以及无栅极电容/感应耦合射频型。

图2 几种典型离子源结构示意图